In uno studio pubblicato recentemente da Nature Communications i ricercatori dell’Università australiana del Nuovo Galles del Sud descrivono una innovativa architettura per il calcolo quantistico, basata su nuovi qubits flip-flop, che promette di rendere più semplice ed economica la produzione su larga scala di chip quantistici.

Il nuovo design utilizza un processore quantistico al silicio nel quale gli atomi possono essere introdotti senza la precisione necessaria con altri approcci. Allo stesso modo è possibile posizionare i quantum bits (o qubits) alla distanza di centinaia di nanometri e mantenere inalterate le caratteristiche per quanto riguarda l’entanglement.

Il progetto è stato sviluppato da un team di ricercatori guidati dall’italiano Andrea Morello, Program Manager presso il Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) della UNSW, che ha dichiarato che la tecnologia messa a punto è alla portata dei processi produttivi attuali. Al nuovo progetto hanno lavorato anche Guilherme Tosi,  Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt e Stefanie Tenberg del CQC2T, e  Rajib Rahman e Gerhard Klimeck della statunitense Purdue University.

Quello che Morello e il suo team hanno messo a punto è un nuovo modo per definire uno “spin qubit” che impiega sia l’elettrone che il nucleo dell’atomo. Ma la cosa più importante è che questo nuovo qubit può essere controllato utilizzando segnali elettrici, anziché magnetici. I segnali elettrici sono molto più facili da distribuire e localizzarsi all’interno di un chip elettronico.

Con questa tecnica è anche possibile realizzare più facilmente grandi array di qubits, spingendo la distanza tra ciascun elemento a 10-20 nanometri o 50 atomi.” Ha dichiarato uno dei ricercatori.

La tecnologia attualmente utilizzata da IBM o Google per i loro quantum computer ha dei limiti nelle dimensioni: in questo modo non sarà mai possibile realizzare macchine con milioni di qubit, come richiesto dagli algoritmi quantistici più interessanti.

“Il nostro nuovo approccio basato sul silicio consente di costruire dispositivi su scala atomica consentendo di realizzare un milione di qubit su un millimetro quadrato” afferma Morello.

Nel prototipo di qubit di un solo atomo realizzato dal team di Morello, viene utilizzato un chip di silicio ricoperto da uno strato di ossido di silicio isolante sul quale sono ricavati gli elettrodi metallici; il tutto funziona a temperature prossime allo zero assoluto e in la presenza di un campo magnetico molto forte.

Il “cuore” è rappresentato da un atomo di fosforo che realizza due qubits usando un elettrone e il nucleo dell’atomo.

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Lo chiamiamo Fip-flop qubits“, spiega Tosi. “Per operare questo qubit, è necessario mantenere l’elettrone un po’ più lontano dal nucleo, utilizzando gli elettrodi in alto. Così facendo si crea anche un dipolo elettrico”.

Questo è il punto cruciale“, aggiunge Morello “Questi dipoli elettrici interagiscono tra loro su distanze abbastanza grandi, dell’ordine di una frazione di micron. Questo significa che possiamo mettere il qubit di un solo atomo molto più lontane di quanto si pensava in precedenza“, ha continuato “Rimane perciò un sacco di spazio per realizzare i componenti classici di un chip, come le interconnessioni, gli elettrodi di controllo, i dispositivi di lettura senza che ciò influisca sul comportamento del quantum bit”.

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